高炉内孔隙共振强化氢还原的方法

1.本发明涉及一种高炉冶炼领域，具体的说是一种高炉内孔隙共振强化氢还原的方法。


背景技术：

2.高炉冶炼是降低钢铁企业碳排放的关键环节。国外曾进行过风口区喷吹天然气的实践，结果发现喷吹天然气后燃料比可稳定地低于460kg/t铁，是优质的喷吹燃料，但是成本高于喷吹煤粉，因此逐渐被淘汰。为积极应对日趋严峻的环保形势，全球各国共同努力，采取相应措施，积极研发相关技术，开发或应用了一些高炉炼铁节能减排创新项目和技术，如：炉顶煤气循环氧气鼓风高炉炼铁、高炉富氢煤气喷吹炼铁和纯氢炼铁技术。
3.近年来为了降低碳排放达成碳中和的目标，，高炉风口处富氢喷吹技术得到大力发展，高炉煤气中的氢气占比越来越高。日本制铁从2008年起推进的course50项目，改造现有高炉，用氢气(由焦炉煤气改质生成)代替部分焦炭作还原剂、用直接还原铁代替部分铁矿石，在东日本制铁所君津试验高炉上验证了此改造项目可减排10％。
4.采用氢气替代焦炭和煤作为炼铁还原剂，可以从源头上解决碳排放问题。近年来，纯氢炼铁技术研究在国内外引起高度重视。该技术是利用氢气全部替代焦炭作为还原剂直接还原铁矿石，达到零碳排放。
5.基于上述技术，如何增强高炉煤气中氢气的利用率，减少碳排放是技术人员研究的一个重点方向。从现有的低碳炼铁技术可以看到一个共同点，即，炉顶煤气需要进行循环利用。其原因是：在铁氧化物的间接还原阶段氢的还原速度还不能满足炼铁生产率的要求，必须要进行循环利用。这增加了炼铁工艺的复杂程度，推高了成本，也制约了钢铁厂的竞争力。因此，有必要进行研究如何有效提高铁氧化物的间接还原阶段氢的还原速度，特别是在与co共存的情况下大幅提高氢还原速度。
6.依据化学平衡和热力学平衡计算可知，反应温度达到1000℃以上，高炉中的碳能迅速还原水蒸气致使氢气还原正反应难以进行，无法参与铁氧化物的还原。反应温度在1000℃以下，高炉中含铁炉料主要以固体块状的形式存在，高炉煤气中的氢气通过含铁炉料的还原产物层孔隙扩散至反应面。由于还原产物层中的孔隙直径小于100微米，反应物及反应产物无法通过对流进行物质的传递，只能通过扩散效应传递至反应面，还原反应的综合阻力较高，大量的氢气来不及扩散至含铁炉料产物层孔隙即被煤气流带走。因此，高炉的富碳环境导致煤气中氢气的利用率偏低，被氢还原的铁氧化物远少于被一氧化碳还原的铁氧化物，这是高炉降低碳排放的瓶颈。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种方法简单可靠、可有效提高煤气中氢气的利用率、强化高炉内氢的还原程度、降低高炉碳排放的高炉内孔隙共振强化氢还原的方法。
8.本发明高炉内孔隙共振强化氢还原的方法为：向高炉含铁炉料内配入共振体，调整高炉内含铁炉料的共振体尺寸使含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
与含铁炉料间煤气的特征频率fs、以及共振体的特征频率fr形成如下关系：对于fr∈fs，使fr＝f
p
。
9.还同时满足如下关系：n*f
p
＝fs，其中n为整数。
10.所述含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
采用以下方法获得：
11.对含铁炉料随机取样，用测振仪测定样品的产物层气动噪声特征频率的数据，并绘制以频率为横坐标、以声压级为纵坐标的图谱，在图谱上选取数值最高点所对应的频率值即为含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
。
12.基于fr＝f
p
，当选择的共振体的特征频率fr不满足fr∈fs的条件时，则重新从所述图谱中选取数值的第二高点所对应的频率值作为含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
；以此类推，直至共振体的特征频率fr满足fr∈fs的条件。
13.其中，所述含铁炉料间煤气的特征频率fs是一个不断变化的数值，不同组成的煤气的变化数值范围略有不同，本领域技术人员可通过查阅相关文献或教科书得知。
14.发明研究发现：依据化学平衡和热力学平衡计算可知，反应温度达到1000℃以上，高炉中的碳能迅速还原水蒸气致使氢气还原正反应难以进行，无法参与铁氧化物的还原。反应温度在1000℃以下，高炉中含铁炉料主要以固体块状的形式存在，高炉煤气中的氢气通过含铁炉料的还原产物层孔隙扩散至反应面。由于还原产物层中的孔隙直径小于100微米，反应物及反应产物无法通过对流进行物质的传递，只能通过扩散效应传递至反应面，还原反应的综合阻力较高，大量的氢气来不及扩散至含铁炉料产物层孔隙即被煤气流带走。因此，高炉的富碳环境导致煤气中氢气的利用率偏低，被氢还原的铁氧化物远少于被一氧化碳还原的铁氧化物。这是高炉降低碳排放的瓶颈。
15.为解决上述技术问题，发明人依据共振关系向高炉含铁炉料内配入共振体，通过调整高炉内共振体尺寸获得特定的频率使其与含铁炉料产物层孔隙气动噪声特征频率相同(fr＝f
p
)，从而可以形成共振，进而能够放大含铁炉料孔隙内同一频率的气体脉动。由于高炉煤气的特征频率是某个范围内在不断变化的，当含铁炉料间煤气的特征频率fs与含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
在某一时间点上呈整数倍关系时，在含铁炉料间空隙煤气压力大幅度波动，由压差产生的泵吸效用，带动孔隙内气流加速流动。含铁炉料孔隙内增强的气体脉动会大幅强化含铁炉料产物层孔隙内的气体与含铁炉料间空隙处高速煤气流间的物质交换能力，由于氢气分子的尺寸远小于一氧化碳分子，在直径小于100微米的含铁炉料产物层孔隙内上述强化作用更偏向于氢气分子，从而大幅增加氢气在含铁炉料产物层孔隙内的输送量，最终强化了高炉内氢的还原程度。
16.进一步的，发明人研究发现，通过对高炉含铁炉料的样品进行测定可得到孔隙内气体波动曲线，并绘制以频率为横坐标、以声压级为纵坐标的图谱，在图谱的曲线中找到数值最高点所对应的频率值，将其作为含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
时，对其进行强化可以有效形成共振泵吸效应，显著提高炉内氢的还原程度。
17.基于fr＝f
p
，因此当获得含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
，也就能够得知共振体的特征频率fr，由此进行反推，可以通过计算得到满足设定的共振体的特征频率fr要求的共振体尺寸，该计算过程为现有技术，在此不作详述。
18.采用本发明方法可以有效提高铁氧化物的间接还原阶段氢的还原速度，特别是在
与co共存的情况下大幅提高氢还原速度，大幅增强高炉煤气中氢气的利用率，减少碳排放。
附图说明
19.图1为共振频率谱关系图。
20.图2为含铁炉料(15mm)球团矿气动噪声特征频率的图谱。
21.图3a为噪声共振强化前的速度变化图。
22.图3b为噪声共振强化后的速度变化图。
23.图4为实施例噪声共振强化后的速度变化云图。
24.图5为对比咧声共振强化后的速度变化云图。
25.1-含铁炉料产物层；2-含铁炉料产物层孔隙；3-含铁炉料；4-煤气流；5-共振体；6-共振体的特征频率fr；7-煤气的特征频率fs；8-含铁炉料产物层孔隙气动噪声特征频率f
p
。
具体实施方式
26.实施例1：
27.原理说明：参见图1，当含铁炉料产物层孔隙气动噪声特征频率8波动到与煤气的特征频率7成整数倍的关系时就会大幅强化孔隙内的泵吸效用，达到增强含铁炉料产物层孔隙2内外物质的交换，特别是强化了氢气分子的物质交换能力的目的，使更多的氢气分子通过含铁炉料产物层1到达反应界面，从而有效地强化了高炉内氢的还原反应，降低高炉碳排放。
28.以含铁炉料球团矿(15mm)为例，对含铁炉料随机取样，用测振仪(victor/vc63b)测定样品的产物层气动噪声特征频率的数据，并绘制以频率为横坐标、以声压级为纵坐标的图谱，参见图2，在图谱上选取数值最高点(图中圈出位置)所对应的频率值即为含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
，从图中可以看到直径尺寸15mm的球团矿波动幅度最大(最高点)的响应频率是4024hz。
29.由于含铁炉料产物层气动噪声特征频率f
p
＝共振体的特征频率fr的限定，因此需要设计的共振体的特征频率fr的响应频率也应是4024hz；
30.进一步查阅资料可知，高炉内含铁炉料间煤气的特征频率fs的通常波动范围为10000hz-200000hz，上述响应频率(4024hz)过小，不满足fr∈fs的要求，因此重新在图2所示的图谱中选择次高点(第二高点，图中已圈出)所对应的响应频率20087hz作为共振体的特征频率fr，在还原过程中，当满足如下关系n*f
p
＝fs，其中n为整数时具有显著的物质交换强化效果。
31.在获得共振体的特征频率fr要求后，本领域技术人员可以合理反推设计出满足上述共振体的特征频率fr要求的不同尺寸的共振体，可以加入高炉内的含铁炉料球团矿(15mm)中参与共振，其设计方法为现有技术。
32.本实施例中作为示例，给出圆柱形共振体直径为20mm时，当共振体长度不超过70mm时，共振体的特征频率fr与长度间关系如下公式所示：
33.fr＝-19054.05*l 531.57*l
2-6.67*l3 0.03*l4 290375.68
34.本实施例中设计的共振体最终尺寸为底面圆形直径为20mm,高度为55mm。
35.在含铁炉料球团矿中加入了本实施例所述的共振体并增加噪声模型后对于含铁
炉料孔隙内的强化效果对比如图3，图3a为没有加入共振体的噪声模型的计算结果，图3b为有共振体加入孔隙内速度变化，通过两者的对比可以看出共振体的加入有效的增加了球团矿孔隙内气体速度，即增加了孔隙内气体与周围煤气流的物质交换速度。在同一水平位置提取速度值绘制曲线如图4所示，可以看出在共振体加入后含铁炉料孔隙内的速度产生急剧的加速效果速度提升幅度为原始速度的5倍以上，越靠近煤气流与含铁炉料交界面位置，孔隙内气流速度的变化幅度越大，有效的证明了在共振条件下泵吸作用可以大幅增强孔隙内气流的物质交换能力和运输煤气到达未反应核界面的能力，增加氢还原剂的利用效率，达到减排的目的。
36.对比例2：
37.本实施例中作为示例，给出圆柱形共振体直径为20mm时，当共振体长度不超过70mm时，共振体的特征频率fr与长度间关系如下公式所示：
38.fr＝-19054.05*l 531.57*l
2-6.67*l3 0.03*l4 290375.68
39.响应频率为35000hz，在图2所示的图谱中处于峰值较低的位置，在本实施例中对应的共振体最终尺寸为底面圆形直径为20mm,高度为35mm。
40.在含铁炉料球团矿中加入了本实施例所述的共振体并增加噪声模型后在同一水平位置提取速度值绘制曲线如图5所示，可以看出在共振体加入后含铁炉料孔隙内的速度与原始速度曲线几近重合，只在靠近煤气流与含铁炉料交界面位置处产生增强效果使得孔隙内气流速度加快，因此只有在声压级最大的位置形成共振才能具有大幅增强的效果。